Contrôle de la réactivité d`un cœur

Contrôle de la réactivité d’un cœur
Pour qu'un réacteur puisse fournir une puissance donnée P, pendant
une durée donnée J (valeurs imposées par l'utilisateur), il faut que le
cœur dispose d'une certaine réserve de réactivité en début de vie.
Aussi, il faut utiliser des moyens de contrôle permettant :
d'amener le cœur à l'état sur-critique pour faire diverger le réacteur
(passer d’une puissance nulle à la puissance souhaitée par le réseau,
et donc, le client),
maintenir le réacteur critique pour le fonctionnement normal,
puis à l'état sous-critique pour l'arrêt,
ceci à tout moment de la vie du réacteur.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
1 / 31
1. Nature de la réserve de réactivité
Il importe qu'un réacteur déclaré disponible à la production d’électricité
puisse être critique
Il doit pouvoir à tout moment diverger, rester stable ou converger si les
conditions normales d’exploitation sont respectées.
L’opérateur doit donc en permanence effectuer un bilan de réactivité
Cela permet ainsi de maîtriser à tout moment l’évolution de la
réaction en chaîne alors que la réactivité évolue en permanence.
Par définition, le point de référence d’un bilan de réactivité, lorsqu’il
n’est pas précisé, correspond à un réacteur en Arrêt Chaud
LicencePro_Contrôle de la réactivité
2 / 31
1.1 antiréactivités liés aux conditions d'exploitation
a. Reprise froid - chaud.
∆ρu = αu . ∆Tu
∆ρm = αm . ∆Tm
b. Démarrage sur un empoisonnement maximum (pic xénon).
Il faut être capable de diverger lors de ce pic en antiréactivité
∆ρx < 0
c. Mécanisme de contrôle défaillant
∆ρg< 0
LicencePro_Contrôle de la réactivité
3 / 31
1.2 Premier bilan : réactivités vitale et totale
a. Réactivité vitale
réactivité positive à garantir, réserve de réactivité vitale
ρv = − (∆ρm + ∆ρu + ∆ρx + ∆ρg )
b. Réactivité totale
Il faut donc que le combustible dispose, tout au long du cycle,
d'une réserve de réactivité suffisante
pour satisfaire à cette demande d'énergie
ρT=ρR+(∆ρm+∆ρu+∆ρx +∆ρg )
LicencePro_Contrôle de la réactivité
4 / 31
LicencePro_Contrôle de la réactivité
5 / 31
2. Contrôle de la réactivité d'un cœur
les grappes de commande
regroupées et manœuvrées selon différents groupes
dans un réacteur de 1300 MWe,
on trouve les groupes SA, SB, SC, SD, N1, N2, G1, G2, R
le bore soluble
les poisons consommables
LicencePro_Contrôle de la réactivité
6 / 31
R
P
N
M
L
K
J
H
G
F
E
D
C
B
A
1
S
2
3
4
G2
S
S
G2
S
R
N1
R
N1
S
S
G1
S
G2
S
S
N1
R
N1
G1
R
N2
S
G2
S
S
N2
S
N1
S
R
N1
S
S
R
S
G2
13
14
G1
S
N2
11
12
S
N2
N2
S
S
R
9
10
R
N2
7
8
N1
G2
5
6
S
G1
N2
S
S
N2
R
S
G2
N1
S
G2
S
S
15
LicencePro_Contrôle de la réactivité
7 / 31
2.1 Fonctions des moyens de contrôle
Fonctions de sécurité
Le réacteur doit pouvoir être rendu sous-critique très rapidement et à tout
moment de sa vie.
Fonction de compensation
En régime permanent, le réacteur est critique (réactivité nulle). Le
rôle de compensation est de maintenir le réacteur critique vis à vis de
la variation de réactivité dont la cause peut être l'usure du combustible ou
un empoisonnement variable par les produits de fission.
Fonction de régulation
maintenir les conditions thermodynamiques normales
LicencePro_Contrôle de la réactivité
8 / 31
2.2 Les grappes de contrôle
absorbants mobiles dont l'insertion, ou le retrait, est ordonné depuis la
salle de commande. Alliage d’argent, d’indium et de cadmium (AIC,
respectivement à 80%, 15% et 5 %).
Il existe 3 principaux types de grappes ayant chacune un rôle bien
défini :
les grappes d’arrêt (fortement antiréactives, utilisées pour étouffer la
réaction en chaîne et pour garantir à l’arrêt une réactivité totale
suffisamment négative pour se prémunir de tout risque d’accident de
réactivité, totalement extraites en puissance),
les grappes de régulation de température (fortement antiréactives,
toujours un peu insérées dans le cœur),
les grappes de régulation de puissance (peu antiréactives, rarement
totalement extraites).
LicencePro_Contrôle de la réactivité
9 / 31
LicencePro_Contrôle de la réactivité
10 / 31
Exigence : vitesse d'insertion de réactivité
proportionnelle à la vitesse d'insertion des grappes
constamment
Méthode : recouvrement (pour les grappes de régulation de puissance,
c’est à dire N1, N2, G1 et G2)..
Avantage : l'antiréactivité introduite par ces grappes est importante, et
facilement variable. Elles permettent des variations de réactivité
quasi-instantanées. (arrêts d'urgence, démarrages au pic xénon).
Inconvénients : grappes très absorbantes d'où pics de flux = des points
chauds. retrait d'une grappe = combustible neuf d'où pics de flux. Le
combustible n'est pas uniformément usé.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
11 / 31
2.3 Poison soluble
bore dilué dans l'eau du circuit primaire
garantir les contre-réactions indispensables à la sûreté
la concentration est limitée vers 1200 ppm
en cas d’incident de réactivité = borication automatique
2.4 Poison consommable
grappes en acier, avec pastilles de silicate de bore, ou de gadolinium.
limiter le nombre et l'efficacité des grappes
points chauds mieux répartis, possibilité d'aplatir le flux.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
12 / 31
I
LicencePro_Contrôle de la réactivité
13 / 31
2.4.1 Choix du poison consommable
LicencePro_Contrôle de la réactivité
14 / 31
3. gestion des transitoires de puissance
Un régime transitoire est une évolution d'un régime permanent
vers un autre régime permanent
Le comportement en transitoire sera jugé satisfaisant :
si la durée est suffisamment brève afin de faciliter la conduite,
s'il ne se produit pas de
endommager le réacteur.
dépassement
de
nature
à
Sinon automatismes visant à ramener les paramètres à des
valeurs acceptables.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
15 / 31
grandeur
dépassement
transitoire mou
transitoire correct
temps
LicencePro_Contrôle de la réactivité
16 / 31
3.1 Différents transitoires
les transitoires de conduite normale :
• variations d'allures
• changements de pompage primaire
• variations de température primaire
qui peuvent se dérouler en dynamique libre
les transitoires accidentels, par exemple :
•
•
•
•
fermeture vanne vapeur (SAA)
rupture collecteur de vapeur
perte de pompage primaire
mise en service d'une boucle froide
qui imposent des actions automatiques jusqu'à l'arrêt d'urgence
LicencePro_Contrôle de la réactivité
17 / 31
3.2 Méthode d'étude des transitoires
3.2.a identifier le paramètre initiateur
identifier le paramètre qui subit le premier l'influence de la
perturbation qui va déstabiliser l'ensemble des autres paramètres
3.2.b évaluer les contre-réactions en jeu
évolution initiale de l'ensemble des paramètres de la centrale
influence des contre-réactions de températures
3.2.c caractériser l'état final
bilan de réactivité ;
équations de transfert thermique.
3.2.d évolution globale et examen des risques
paramètres dont l'évolution peut présenter des risques
(augmentation des températures du cœur, excursion de puissance, pic de
réactivité...).
LicencePro_Contrôle de la réactivité
18 / 31
3.3 exemple : perturbation de puissance extraite
3.3.a conditions initiales
• débit primaire constant, donc températures en équilibre.
• la centrale évolue en dynamique libre ( δρe = 0 ).
• à l'instant initial, on élève la puissance extraite (échelon de puissance)
3.3.b paramètre initiateur : refroidissement du secondaire
Ce refroidissement du secondaire se transmet au fluide primaire
La température de sortie échangeur baisse instantanément
la température entrée échangeur constante dans un premier temps.
Après un léger temps de retard, le cœur subit l'influence de cette baisse
de température.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
19 / 31
3.3.c contre-réaction de température
Le refroidissement de l'eau primaire provoque un gain de réactivité
la puissance neutronique commence à monter,
la baisse des températures s'atténue.
3.3.d état final du sytème
puissance neutronique = puissance extraite : Wn = We
caractéristique du système autostable.
augmentation de Wn = augmentation de la température combustible.
Les écarts ∆Te échangeur, et ∆Tc caloporteur ont également augmenté
LicencePro_Contrôle de la réactivité
20 / 31
3.3.e
évolution globale et examen des risques
introduction d'eau froide dans le cœur = augmentation de puissance.
refroidissement du primaire = chute de pression.
proportions non négligeables si transitoire de puissance violent
(rupture d'un collecteur de vapeur)
L'augmentation de l'écart de températures entrée-sortie cœur
peut être important (∆ T cœur) et surveillé
Le régime de pompage devra éventuellement être augmenté
pour diminuer l'écart (W = M.Cp.∆T)
LicencePro_Contrôle de la réactivité
21 / 31
4. Modes de pilotage des REP EdF
4.1 Critères de conception
température maximale de surface de gaine
température maximale du combustible : 2260°C,
puissance linéique maximale de 590W/cm
critère de non caléfaction : prévention de la crise d'ébullition
limites mécaniques pour la gaine
LicencePro_Contrôle de la réactivité
22 / 31
4.2 limites physiques de fonctionnement
visant à la tenue de la première barrière
non-fusion à cœur du combustible,
contrainte traduite en terme de puissance linéique maximale
admissible en fonctionnement.
prévention de la crise d'ébullition,
liée elle aussi à la valeur de la puissance linéique
prévention contre les ruptures de gaine
LicencePro_Contrôle de la réactivité
23 / 31
4.2 Protection par surpuissance neutronique
4.2.a Facteur de point chaud neutronique
4.2.b axial Offset
IH − IB
AO=
IH + IB
IH
IB
corrélation entre FQ et l'Axial Offset
corrélation transposons en un diagramme Pmax (∆I) / Pnom = f (∆I)
avec ∆I = AO*P/Pnom
(normalisation de l'Axial Offset à la puissance nominale),
d'où un domaine limité de fonctionnement.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
24 / 31
LicencePro_Contrôle de la réactivité
25 / 31
4.3 Modes de pilotage EdF
4.3.a à l'origine, le " mode B "
C'était un mode de pilotage NOIR. Ce mode comprenait :
6 groupes de 8 grappes longues
5 grappes courtes pour le contrôle de l'axial offset.
grappes courtes, positionnées en partie centrale du cœur (maximal de flux)
permettaient le contrôle parfait de l'axial offset.
les pics de puissance étaient mal contrôlés (pincements de flux)
d'où oscillations Xénon et pics de puissance
mauvaise utilisation du combustible
été logiquement abandonné
LicencePro_Contrôle de la réactivité
26 / 31
4.3.b Mode A
mode de pilotage NOIR
interdiction d'utilisation de grappes courtes
les pics de puissance sont ainsi évités
temps de séjour limité des grappes noires en position basse
afin d'éviter l'apparition d'oscillations Xénon.
mode peu souple et présente une incompatibilité du contrôle de l'axial offset
avec les besoins de contrôle de la réactivité.
pour ce mode de pilotage l'obtention d'un axial offset correct n'est possible
qu'avec des barres situées en position haute
LicencePro_Contrôle de la réactivité
27 / 31
4.3.c Mode G et X ( palier N4 )
mode A utilisant des grappes noires
ne pouvait satisfaire pleinement EDF
confronté aux problèmes de suivi de charge
entraînant des mouvements de grappes importants
Des grappes grises ont donc remplacé les grappes courtes
ainsi qu'un certain nombre de grappes noires
Elles sont composés de 8 à 12 crayons absorbants
le complément étant composé de crayons "blancs" peu absorbants
Elles perturbent donc moins les répartitions de puissance.
Les grappes de commande sont manœuvrés par recouvrement
LicencePro_Contrôle de la réactivité
28 / 31
5. Sûreté, exploitation et neutronique
La sûreté regroupe l’ensemble des dispositions prises à tout les stades
de la conception, de la construction, de l’exploitation et de l’arrêt des
installations nucléaire pour protéger en toute circonstances l’homme et son
environnement naturel contre la dispersion des produits radioactifs,
c’est à dire 3 dispositions :
assurer le fonctionnement normal,
prévenir les incidents et accidents,
limiter les conséquences en cas d’incident ou d’accident.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
29 / 31
La défense en profondeur consiste à prendre en compte
de façon systématique
les défaillances techniques, humaines ou organisationnelles
et à s’en prémunir par des lignes de défense successives
(3 lignes de défense) :
la prévention,
la surveillance ou la détection,
les moyens d’action ou le traitement.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
30 / 31
Pour éviter la défaillance des barrières
ou pour limiter les conséquences de leurs défaillances,
il faut respecter les 3 fonctions de sûreté suivantes
(3 fonctions de sûreté) :
contrôler la réactivité,
contrôler le refroidissement du combustible,
contrôler le confinement des produits radioactifs.
LicencePro_Contrôle de la réactivité
31 / 31